尿素噴射管路對氣助式尿素噴射裝置性能影響研究

張希杰，代子陽，解家報，趙 鵬

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

SCR 系統是目前較為成熟的重型柴油機尾氣后處理技術，它可使柴油機在滿足嚴格排放法規的同時，仍具有較好的燃油經濟性，已在國內外重卡市場得到廣泛應用[1-2]。尿素泵、尿素噴嘴是SCR 系統的核心部件，與尿素噴射管路共同組成尿素噴射系統，其噴射精度、霧化質量等性能直接影響柴油機SCR 系統的NOx轉化率和NH3泄漏量。

1 氣助式尿素噴射系統概述

目前，市場上主流的尿素噴射系統有兩種：非氣助式尿素噴射系統和氣助式尿素噴射系統。氣助式尿素噴射系統具有結構簡單、成本低等優勢，在國內外眾多后處理系統中廣泛應用[3]。

尿素噴射管的長度、直徑等參數對尿素噴射系統的性能有直接影響。當尿素管路內徑較大時，流體經泵出口流過逐漸擴張的管道，流速沿流向減小，并且容易出現倒流現象。漸擴管的局部損失阻力系數見公式（1）[4-5]。在泵出口內徑一定時，尿素管內徑越大，管路局部損失系數越大。

式中，ζ為局部損失阻力系數；A1為泵出口接頭內截面面積；A2為尿素管內截面面積。

2 試驗系統布置

選用4.1 L 歐五柴油機進行臺架試驗，試驗臺架系統布置見圖1。

圖1 臺架測試系統

選取市場上常用規格的4 種尿素噴射管并編號：1#（內徑3 mm，長度3 m）、2#（內徑6 mm，長度3 m）、3#（內徑3 mm，長度1.5 m）、4#（內徑3 mm，長度0.5 m），各尿素管依次進行試驗。

3 試驗結果及分析

排放試驗結果見表1。

表1 排放結果對比匯總

3.1 不同內徑尿素噴射管試驗數據對比

對比1#、2# 尿素噴射管ESC、ETC 排放結果，整體來看NOx比排放差異不大，但采用內徑為6 的尿素管時氨泄漏高。

（1）ESC 穩態過程數據對比

ESC 穩態過程尿素噴射速率、NOx濃度、氨泄漏分別見圖2、圖3、圖4。

圖2 ESC 穩態過程尿素噴射速率

圖3 不同直徑ESC 穩態過程NOx 對比

圖4 不同直徑ESC 穩態過程氨泄漏對比

由圖2、圖3 可見，相同尿素噴射量下，2#尿素噴射管在ESC 穩態工況點測量的尾氣NOx濃度值波動較大，在2、8、10 三個大負荷工況表現更為明顯，最大波動范圍接近300 ppm，而1#尿素噴射管NOx濃度值波動較小。

由圖4 可見，采用2#尿素噴射管穩態工況的氨泄漏值比1#尿素噴射管大，峰值出現在第8、10 兩個大負荷工況點，最大值達到160 ppm。

（2）ETC 瞬態過程數據對比

瞬態試驗尿素噴射速率、NOx濃度、氨泄漏結果分別見圖5、圖6、圖7。

圖5 ETC 瞬態過程尿素噴射速率

圖6 ETC 瞬態過程NOx 對比

圖7 ETC 瞬態過程氨泄漏對比

由圖6 可見，對比ETC 排放循環瞬態工況，整體上看1#、2# 尿素噴射管排氣NOx值差異不大，2# 噴射管部分工況NOx濃度稍高一些。

由圖7 可見，采用2#尿素噴射管時，氨泄漏值峰值和均值比1#尿素噴射管大。

3.2 不同長度尿素噴射管試驗數據對比

選取1#、3#、4# 尿素噴射管進行對比，ESC、ETC循環NOx濃度差異不大，但采用3#、4#尿素噴射管時氨泄露要更低，見圖8、圖9。

圖8 不同長度尿素管ETC 瞬態過程NOx 對比

圖9 不同長度尿素管ETC 瞬態過程氨泄漏對比

從圖9 可以看出，采用3#、4#尿素噴射管時氨泄漏比1#尿素噴射管小，3#、4#排放結果差異不大。

3.3 試驗結果分析

尿素噴射管的內徑不同，對ESC、ETC 工況循環過程中的NOx及氨泄漏都有不同程度的影響。采用6 mm 內徑尿素管時，尿素泵內氣液混合物從內徑較小的尿素泵接頭進入內徑較大的尿素管后，容易出現一系列的旋渦，管路內流體微團之間存在摩擦，并容易導致流體內部產生撞擊，造成尿素不能穩定持續噴射，從而導致ESC 循環單點NOx值不穩定，氨泄漏變大。從試驗數據能看出，采用3 mm 噴射管時，NOx排放結果明顯更優。

對于氣助系統，尿素噴射管中沒有預存尿素，尿素是由尿素泵經噴射管、噴嘴噴射到排氣管中。尿素噴射管長度不同，會影響瞬態循環的尿素噴射響應性。噴射管長度較長時，尿素溶液實際噴射會存在一定延遲，不能很好與瞬態工況NOx原機排放的波動相吻合，容易造成瞬時的氨氣不足或過量，從而會影響NOx處理效果，加大氨泄漏風險。從試驗結果來看，適當縮短尿素管長度有助于提高SCR 系統對NOx的處理效果、降低氨泄漏風險。

4 結論

（1）采用不同規格尿素噴射管能夠影響氣助式尿素噴射系統對NOx的處理效果以及氨氣的泄漏量。

（2）尿素管路內徑較粗，會影響尿素的正常噴射，導致ESC 循環各工況點NOx尾氣濃度不穩定，帶來氨泄漏的增加，尿素噴射量較大的高負荷工況更加明顯。

（3）噴射管長度較長會影響尿素噴射的瞬態響應性，適當減小尿素管長度有助于提高氣助系統對NOx的轉化效果，降低氨泄漏風險。